CN105191984B - 一种缓解镉损害的作物保护剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缓解镉损害的作物保护剂及其制备方法与应用。所述缓解镉损害的作物保护剂包括如下组分：海藻糖，氯化钙，硝普钠。本发明还公开了上述缓解镉损害的作物保护剂的制备方法及在缓解镉对农作物种子萌发和幼苗早期生长影响中的应用。本发明所述的缓解镉损害的作物保护剂根据种子萌发对Cd胁迫应答的品种间差异及其生理基础，针对性地在种子萌发及幼苗生长过程中加入，从而能有效地促进种子萌发及根、芽生长，提高淀粉酶及抗氧化酶的活性、降低植物体内的Cd含量，为合理利用Cd污染土壤、预防作物早期受害、提高污染土壤上植物生长的安全性提供依据和参考。

Description

一种缓解镉损害的作物保护剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种缓解镉损害的作物保护剂及其制备方法与应用，属于农产品安全技术领域。

技术背景

当今人类社会活动频繁，推动工农业现代化迅猛发展，然而，环境却日益遭到污染，其中重金属的污染已成为当今污染面积最广、危害最大的环境问题之一。由于污水灌溉、含Cd增肥物料(污泥、粉煤灰等)使用等原因，世界范围内农田Cd污染日趋严重。据不完全统计，在我国被Cd污染的农田面积已达28万hm²，每年生产的农产品中，Cd含量超标达1460万t，不仅严重危害着农业生态环境，还严重危害人类身体健康，甚至影响土壤生产能力的可持续发展。

重金属Cd不是作物生长必需的微量元素，不构成作物结构，也不参与作物体内和代谢活动，但易被作物吸收。Cd的过量积累会对作物生长产生明显的毒害作用，具体表现出生长迟缓、植株矮小、褪绿等中毒症状，严重影响作物产量。此外，镉在农作物中，特别是在可食部分进行大量积累，并通过食物链积累危害到人体健康。我国是世界上最大的稻米生产国，水稻作为我国首要的农作物，近些年来“镉米”事件频频发生，吸引了全社会对食品安全的关注。小麦是世界上最主要的粮食作物之一，具有重要的经济价值。研究表明，Cd胁迫使小麦幼苗出现生长迟缓、褪绿等中毒症状，最终导致产量大幅降低。对于蔬菜类作物，一般而言，其对Cd的耐受性要低于禾谷类作物。作物种子萌发及萌发时期的生长状况直接影响其后续的生长和生物产量，因此研究作物种子在萌发阶段受重金属污染的影响具有重要的现实意义。

中国专利文献CN104263375A(申请号201410485596.9)公开了一种复合土壤调理剂，所述复合土壤调理剂包括沼渣、木醋液、矿物粉末、可溶性壳聚糖、二亚乙基三胺五乙酸五钠、表面活性剂、烟末、海藻糖、双鼠李糖脂、絮凝组分、渗透剂、浒苔粉、改性沸石、加硼锌镁型菌剂、纳米添加剂、促进剂、季戊四醇三丙烯酸酯和离子液体；还可优选地包含与离子液体等重量的4-甲基戊酸苯酯。该复合土壤调理剂可以对土壤进行改良和性能恢复，同时还可改善土壤的通透性和避免镉等重金属的副作用。但该技术方案主要目的是进行土壤改良，无显著改善Cd对种子的萌发和幼苗的建成时期的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种缓解镉损害的作物保护剂及其制备方法与应用。该保护剂可以针对不同的作物品种在种子萌发及幼苗生长过程中使用，从而有效地缓解Cd对种子萌发及根、芽生长的抑制，提高淀粉酶及抗氧化酶的活性、降低植物体内的Cd含量。

本发明的技术方案如下：

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

海藻糖2～30mmol/L，氯化钙5～25mmol/L，硝普钠30～200μmol/L。

根据本发明优选的，所述缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

海藻糖5～25mmol/L，氯化钙10～20mmol/L，硝普钠50～150μmol/L。

根据本发明优选的，所述缓解镉损害的作物保护剂，还包括Hoagland营养液的成分，成分浓度为标准Hoagland营养液的一半。

根据本发明优选的，所述Hoagland营养液成分如下，采用蒸馏水配制：

四水硝酸钙900～990mg/L，硝酸钾486～526mg/L，硝酸铵70～90mg/L，磷酸二氢钾116～156mg/L，硫酸镁453～533mg/L，铁盐溶液2.5ml/L，微量元素液5ml/L，pH＝6.0；

所述铁盐溶液组分如下：

七水硫酸亚铁2.5～3.0g，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)3.5～4.0g，蒸馏水500ml，pH＝5.5；

所述微量元素液组分如下：

碘化钾0.7～1.0mg/L，硼酸5.5～6.9mg/L，硫酸锰20～25mg/L，硫酸锌7～10mg/L，钼酸钠0.2～0.3mg/L，硫酸铜0.02～0.03mg/L，氯化钴0.02～0.03mg/L。

上述缓解镉损害的作物保护剂的制备方法，步骤如下：

将海藻糖、氯化钙和硝普钠按比例溶解于水中，然后蒸馏水定容，制得。

根据本发明优选的，还包括向水中加入Hoagland营养液的步骤。

上述作物保护剂在缓解镉对农作物种子萌发和幼苗早期生长影响中的应用。

根据本发明优选的，上述应用，步骤如下：

在种子萌发阶段，将种子加入上述缓解镉损害的作物保护剂浸泡处理20～30h；

或者，在幼苗生长阶段，将上述缓解镉损害的作物保护剂喷施于幼苗叶片表面。

根据本发明进一步优选的，所述的喷施于幼苗叶片表面为将缓解镉损害的作物保护剂喷施至幼苗叶片表面均匀挂湿即可，喷施时间为上午9点前或下午4点后，喷施频率为每3天喷施1次。

根据本发明进一步优选的，所述种子浸入的缓解镉损害的作物保护剂中含有Hoagland营养液的成分，成分浓度为标准Hoagland营养液的一半(简写为1/2Hoagland)。

本发明所述缓解镉损害的作物保护剂的作用原理如下：

海藻糖：金属胁迫下，海藻糖与蛋白质结合，作为一种抗氧化剂保护细胞。同时海藻糖也被证实具有稳定细胞膜流动性的作用，从而通过保护细胞膜的完整性来增强细胞的抗Cd能力。

氯化钙：能活化某些酶类，提高膜的稳定性，改善根系吸水量和根系导水率，促进根和叶的发育。

硝普钠：通过释放NO清除活性氧而减轻了Cd毒害，提高幼苗叶片SOD、POD和APX活性，提高叶片PSⅡ光化学转换效率,增强植物的潜在光合活性。

本发明中的上述三种成分共同作用，可显著缓解Cd对作物的毒害作用，增加作物的抗Cd能力，降低植物体内的Cd含量。

Hoagland营养液的作用是保证Cd胁迫条件下种子发芽过程所需要的养分。

有益效果

1、本发明所述的缓解镉损害的作物保护剂根据种子萌发对Cd胁迫应答的品种间差异及其生理基础，针对性地在种子萌发及幼苗生长过程中加入，从而能有效地促进种子萌发及根、芽生长，提高淀粉酶及抗氧化酶的活性、降低植物体内的Cd含量，为合理利用Cd污染土壤、预防作物早期受害、提高污染土壤上植物生长的安全性提供依据和参考。

2、本发明所述的缓解镉损害的作物保护剂具有配制简单、使用方便、环保高效的特点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。

Hoagland营养液成分如下，采用蒸馏水配制：

四水硝酸钙945mg/L，硝酸钾506mg/L，硝酸铵80mg/L，磷酸二氢钾136mg/L，硫酸镁493mg/L，铁盐溶液2.5ml/L，微量元素液5ml/L，pH＝6.0。

铁盐溶液:七水硫酸亚铁2.78g，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)3.73g，蒸馏水500ml，pH＝5.5。

微量元素液:碘化钾0.83mg/L，硼酸6.2mg/L，硫酸锰22.3mg/L，硫酸锌8.6mg/L，钼酸钠0.25mg/L，硫酸铜0.025mg/L，氯化钴0.025mg/L。

实施例1

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

A液：海藻糖5mmol/L、氯化钙10mmol/L、硝普钠100μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖10mmol/L、氯化钙15mmol/L、硝普钠120μmol/L；

上述缓解镉毒害复合制剂的制备方法，步骤如下：

A液：取海藻糖(C₁₂H₂₂O₁₁·2H₂O)、氯化钙、硝普钠溶于Hoagland营养液中，混匀溶解后搅拌均匀，然后加入蒸馏水定容；

B液：取海藻糖(C₁₂H₂₂O₁₁·2H₂O)、氯化钙、硝普钠加入蒸馏水中，混匀溶解后搅拌均匀，然后加入蒸馏水定容。

实施例2

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

A液：海藻糖10mmol/L、氯化钙15mmol/L、硝普钠150μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖15mmol/L、氯化钙20mmol/L、硝普钠200μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

实施例3

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

A液：海藻糖15mmol/L、氯化钙20mmol/L、硝普钠200μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖20mmol/L、氯化钙25mmol/L、硝普钠250μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

实施例4

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

A液：海藻糖15mmol/L、氯化钙25mmol/L、硝普钠250μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖20mmol/L、氯化钙30mmol/L、硝普钠300μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

实施例5

一种缓解镉损害的作物保护剂，包括如下组分：

A液：海藻糖15mmol/L、氯化钙15mmol/L、硝普钠250μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖20mmol/L、氯化钙20mmol/L、硝普钠300μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

对比例1

如实施例2所述的作物保护剂，不同之处在于，包括如下组分：

A液：海藻糖10mmol/L、氯化钠15mmol/L、硝普钠150μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖15mmol/L、氯化钠20mmol/L、硝普钠200μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

对比例2

如实施例2所述的作物保护剂，不同之处在于，包括如下组分：

A液：海藻糖10mmol/L、氯化钙15mmol/L、磷酸二氢钠150μmol/L、1/2Hoagland营养液；

B液：海藻糖15mmol/L、氯化钙20mmol/L、磷酸二氢钠200μmol/L。

该复合制剂的制备方法同实施例1。

试验例

实验例1

实验对象：供试小麦为济麦22，经测试，其发芽率大于90％。

实验过程：

试验前，精选饱满的供试种子，以体积百分比10％的H₂O₂溶液浸泡消毒30min，弃表层漂浮种子，用无菌去离子水反复冲洗，用滤纸将水吸干，待用。试验共设4个Cd²⁺(以CdSO₄形式加入1/2Hoagland)溶液浓度处理，分别为0、0.25、0.5、0.75mmol/L，每个处理5次重复。此外再另设0.5、0.75mmol/L处理组，采用实施例2制备的缓解镉损害的作物保护剂的A液预先浸泡处理种子24h再进行Cd胁迫处理，其余处理组以蒸馏水预先浸种24h作为对照。

取直径为15cm的培养皿，皿内以双层滤纸作为发芽床，将培养皿灭菌处理后，加入配好的不同浓度Cd²⁺溶液，每皿15mL，将消毒后的小麦种子接种于滤纸上，每皿40粒，摆放均匀，盖好上盖。

最后将各组培养皿放入光照培养箱中进行培养，培养期间温度为(20±1)℃、光照时间为16h/d。培养期间每天用称重法加去离子水保持恒重。接种后第5天取走上盖以保证萌发幼苗正常生长，第14天后将长势一致的幼苗移入盛有细砂的塑料花盆中，用不同浓度的CdSO₄溶液处理，浇灌量为细砂持水量的2倍，并开始用实施例2制备的缓解镉损害的作物保护剂的B液喷洒叶面，喷施至叶面均匀挂湿，每3天喷洒一次，第20天进行相关指标的测定。

测定指标：

1、种子萌发过程中α-淀粉酶活性的测定。Cd²⁺处理后第2天，对各处理小麦种子进行随机取样，每个处理取3个混合样品，对α-淀粉酶活性进行测定。

2、小麦幼苗丙二醛(MDA)、叶绿素和SOD含量的测定。处理后15d，对各处理小麦幼苗的叶片进行随机取样(每皿保留10株完整植株以备生物量的测定)，每个处理取3个混合样品进行MDA、叶绿素和SOD含量的测定。

3、小麦幼苗生物量及体内镉含量的测定。处理后15d，对各处理未进行破坏性取样的小麦植株进行生物量测定。将植株冲洗干净置于烘箱中于80℃下杀青30min，最后在70～80℃下烘干至恒重，称重。称取一定质量的样品灰化后，硝酸溶解，过滤、定容后用原子吸收分光光度计测定镉含量。

结果：

与对照(0mmol/L Cd²⁺)相比，0.5、0.75mmol/L Cd²⁺处理使α-淀粉酶活性分别降低了29.4％和41.1％，叶绿素含量分别下降了34.8％和50.2％，MDA含量分别是对照的2.06倍和2.71倍，SOD活性分别降低了40.1％和29.7％；植株干重分别降低了59.6％和67.3％。

用实施例2的复合制剂处理后与处理前比较，在相同浓度(0.5、0.75mmol/L)Cd²⁺处理条件下，植株体内的镉含量分别下降了36.2％和31.6％，α-淀粉酶活性分别升高了26.3％和19.8％；叶绿素含量分别升高了20.8％和12.1％；MDA含量分别降低了40.6％和28.2％，SOD活性分别升高了29.6％和18.3％；植株干重分别升高了39.3％和22.7％。

实验例2

实验对象：供试对象为“美国大牛角辣椒”，经测试，其发芽率大于80％。

实验过程：试验共设4个Cd²⁺(以CdSO₄形式加入1/2Hoagland)溶液浓度处理，分别为0、0.05、0.1、0.2mmol/L，每个处理5次重复。此外再另设0.2mmol/L处理组，采用实施例1制备的缓解镉损害的作物保护剂的A液预先浸泡处理种子24h再进行Cd胁迫处理，其余处理组以蒸馏水预先浸种24h作为对照。

选取均一的种子，以体积百分比10％的H₂O₂溶液浸泡消毒30min，用去离子水反复冲洗，再用滤纸将水吸干后将其排列在铺有三层滤纸的培养皿中，共18皿，每皿50粒。最后将各组培养皿放入光照培养箱中进行培养，培养期间温度为(25±1)℃，种子萌发实验第12天，取种子萌发幼苗胚根、胚轴，测定各重复MDA含量、SOD活性。

幼苗生长CdSO₄实验处理水平同种子萌发实验选用水平，从供试辣椒苗选取具有2片真叶，地上部分长4.5cm左右、涨势一致的幼苗，移植在装有1/2Hoagland营养液的培养杯中预培养7天，待辣椒正常生长后，以1/2Hoagland营养液为基础，按设计水平配制不同的CdSO₄处理液，每天更换一次培养液，对于另设的0.2mmol/L处理组，采用实施例1制备的缓解镉损害的作物保护剂的B液喷洒叶面，喷施至叶面均匀挂湿，每3天喷洒一次。处理后第15天测定植株根系活力，叶片叶绿素含量，根、叶MDA含量和SOD活性。

种子萌发实验：与对照(0mmol/L Cd²⁺)相比，0.2mmol/L Cd²⁺处理显著抑制了辣椒种子幼苗胚根、胚轴的生长，SOD活性显著下降，MDA含量显著升高。用实施例1制备的缓解镉损害的作物保护剂的A液处理后与处理前比较，在相同浓度(0.2mmol/L)Cd²⁺处理条件下，胚根和胚轴长度分别提高了46.9％和78.6％，MDA含量降低了12.2％，SOD活性升高了24.5％。

幼苗生长实验：与对照(0mmol/L Cd²⁺)相比，0.2mmol/L Cd²⁺处理显著抑制了辣椒根和苗的生长，叶绿素含量和SOD活性显著下降，MDA含量显著升高。用实施例1制备的缓解镉损害的作物保护剂的B液处理后与处理前比较，在相同浓度(0.2mmol/L)Cd²⁺处理条件下，根长和苗高分别提高了9.8％和6.4％，根系活力提高了51.2％，叶绿素含量升高了15.1％，根和叶的MDA含量分别降低了8.6％和11.2％，根和叶的SOD活性分别升高了28.2％和5.9％。

实验例3

实验对象：供试小麦为济麦22，经测试，其发芽率大于90％。

实验过程：与实验例1相同，但采用对比例1所述的作物保护剂。

测定指标：与实验例1相同。

结果表明：与对照(0mmol/L Cd²⁺)相比，0.5、0.75mmol/L Cd²⁺处理使α-淀粉酶活性降低了，叶绿素含量下降了，MDA含量升高，SOD活性降低(变化幅度均参考实验例1)；用对比例1的复合制剂处理后与处理前比较，在相同浓度(0.5、0.75mmol/L)Cd²⁺处理条件下，植株体内的镉含量分别下降了30.4％和26.8％，α-淀粉酶活性分别升高了21.8％和15.6％；叶绿素含量分别升高了15.2％和9.1％；MDA含量分别降低了31.5％和21.7％，SOD活性分别升高了21.5％和12.7％；植株干重分别升高了29.1％和14.3％。

实验例4

实验对象：供试小麦为济麦22，经测试，其发芽率大于90％。

实验过程：与实验例1相同，但采用对比例2所述的作物保护剂。

测定指标：与实验例1相同。

结果表明：与对照(0mmol/L Cd²⁺)相比，0.5、0.75mmol/L Cd²⁺处理使α-淀粉酶活性降低了，叶绿素含量下降了，MDA含量升高，SOD活性降低(变化幅度均参考实验例1)；用对比例2的复合制剂处理后与处理前比较，在相同浓度(0.5、0.75mmol/L)Cd²⁺处理条件下，植株体内的镉含量分别下降了31.2％和25.4％，α-淀粉酶活性分别升高了20.5％和14.3％；叶绿素含量分别升高了16.8％和10.2％；MDA含量分别降低了33.2％和24.5％，SOD活性分别升高了18.6％和11.2％；植株干重分别升高了30.9％和17.2％。

由上述试验例可以看出，本发明所述缓解镉损害的作物保护剂中的成分之间具有相互促进的作用，对比例虽然采用类似成分进行替换，但由最终的检测效果可以看出，效果显著下降。

Claims (9)

1.一种缓解镉损害的作物保护剂，其特征在于，包括如下组分：

海藻糖 2～30 mmol/L，氯化钙 5～25 mmol/L，硝普钠 30～200 μmol/L。

2.如权利要求1所述的作物保护剂，其特征在于，包括如下组分：

海藻糖 5～25 mmol/L，氯化钙 10～20 mmol/L，硝普钠 50～150 μmol/L。

3.如权利要求1所述的作物保护剂，其特征在于，还包括Hoagland营养液的成分，成分浓度为标准Hoagland营养液的一半；

所述Hoagland营养液成分如下，采用蒸馏水配制：

四水硝酸钙 945mg/L，硝酸钾 506mg/L，硝酸铵 80mg/L，磷酸二氢钾 136mg/L，硫酸镁493mg/L，铁盐溶液 2.5ml/L，微量元素液 5ml/L，pH=6.0；

铁盐溶液:七水硫酸亚铁 2.78g，乙二胺四乙酸二钠3.73g，蒸馏水 500ml，pH=5.5；

微量元素液: 碘化钾 0.83mg/L，硼酸 6.2mg/L，硫酸锰 22.3mg/L，硫酸锌 8.6mg/L，钼酸钠 0.25mg/L，硫酸铜 0.025mg/L，氯化钴 0.025mg/L。

4.权利要求1所述缓解镉损害的作物保护剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：

将海藻糖、氯化钙和硝普钠按比例溶解于水中，然后蒸馏水定容，制得。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括向水中加入Hoagland营养液的步骤；

所述Hoagland营养液成分如下，采用蒸馏水配制：

四水硝酸钙 945mg/L，硝酸钾 506mg/L，硝酸铵 80mg/L，磷酸二氢钾 136mg/L，硫酸镁493mg/L，铁盐溶液 2.5ml/L，微量元素液 5ml/L，pH=6.0；

铁盐溶液:七水硫酸亚铁 2.78g，乙二胺四乙酸二钠3.73g，蒸馏水 500ml，pH=5.5；

微量元素液: 碘化钾 0.83mg/L，硼酸 6.2mg/L，硫酸锰 22.3mg/L，硫酸锌 8.6mg/L，钼酸钠 0.25mg/L，硫酸铜 0.025mg/L，氯化钴 0.025mg/L。

6.权利要求1所述的作物保护剂在缓解镉对农作物种子萌发和幼苗早期生长影响中的应用。

7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤如下：

在种子萌发阶段，将种子加入上述缓解镉损害的作物保护剂浸泡处理20～30h；

或者，在幼苗生长阶段，将上述缓解镉损害的作物保护剂喷施于幼苗叶片表面。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的喷施于幼苗叶片表面为将缓解镉损害的作物保护剂喷施至幼苗叶片表面均匀挂湿即可，喷施时间为上午9点前或下午4点后，喷施频率为每3天喷施1次。

9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述种子浸入的缓解镉损害的作物保护剂中含有Hoagland营养液的成分，成分浓度为标准Hoagland营养液的一半；

所述Hoagland营养液成分如下，采用蒸馏水配制：

四水硝酸钙 945mg/L，硝酸钾 506mg/L，硝酸铵 80mg/L，磷酸二氢钾 136mg/L，硫酸镁493mg/L，铁盐溶液 2.5ml/L，微量元素液 5ml/L，pH=6.0；

铁盐溶液:七水硫酸亚铁 2.78g，乙二胺四乙酸二钠3.73g，蒸馏水 500ml，pH=5.5；

微量元素液: 碘化钾 0.83mg/L，硼酸 6.2mg/L，硫酸锰 22.3mg/L，硫酸锌 8.6mg/L，钼酸钠 0.25mg/L，硫酸铜 0.025mg/L，氯化钴 0.025mg/L。